НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o065.pdf (1164.76Кб)

УДК 621.37, 535.8

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Радиофотоника является одним из самых перспективных направлений в современной радиолокации. Применение радиофотонных элементов обеспечит значительное улучшение некоторых характеристик РЛС:
   - резко повысит информативность и разрешающую способность по дальности системы;
   - увеличит дальность обнаружения целей;
   - обеспечит высокую помехозащищенность;
   - обеспечит стабильность характеристик при изменяющихся климатических, условиях прежде всего температурных;
   - уменьшит массо-габаритные параметры антенных систем;
   - снизит стоимость.
В данной статье проведен обзор и анализ современной отечественной и зарубежной литературы в области применения элементов радиофотоники в средствах радиолокации. Несмотря на достаточно большое количество статей, посвященных элементной базе радиофотоники, схемной проработки и созданию отдельных узлов радиофотонного радара, отсутствует проработанное схемотехническое решение РЛС на основе активной фазированной антенной решетки (АФАР), реализующее все основные преимущества применения радиофотонных элементов.
В статье представлены результаты структурной проработки радиолокационной станции (РЛС) на основе элементов радиофотоники, выбор и обоснование конкретных технических решений по всем ключевым узлам, формирующим систему в целом: устройство формирование зондирующего сигнала, оптический приемопередающий модуль, оптический цифровой приемник и волоконные оптические линии связи.
Проведен выбор и обоснование конкретной элементной базы (как отечественной, так импортной), формирующей систему и доступной в настоящее время на мировом рынке, в результате которого показана техническая возможность реализации РЛС с АФАР на элементах радиофотоники уже в настоящее время.
На основании проведенного расчет тактико-технических характеристик РЛС типа Воронеж-М с применением узлов радиофотоники показано резкое повышение разрешающей способности (с нескольких сотен метров до единиц сантиметров), увеличение дальности обнаружения более чем в 1,5 раза, снижение массогабаритных характеристик изделия не менее чем в 2 раза.

1. Лоскутов В. Ю., Чапурский В. В., Крючков И. В., Нефедов С.И., Нониашвили М.И. Анализ влияния конфигурации приемо-передающих позиций распределенной антенной системы со слабонаправленными антеннами на потенциальную точность измерения параметров цели // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 05. С. 68–78. DOI: 10.7463/rdopt.0515.0777801
2. Верба В.С., Меркулов В.И., Садовский П.А. Многодиапазонные радиолокационные системы. Проблемы многоцелевого сопровождения // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 5. С. 37-51. DOI: 10.7463/rdopt.0515.0817948
3. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. М.: Фирма «АКТЕОН», 2012. 445 с.
4. Белоусов А.А., Вольхин Ю.Н., Гамиловская А.В., Дубровская А.А., Тихонов Е.В. О применении методов и средств радиофотоники для обработки сигналов дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн // Прикладная фотоника. 2014. №1. C. 65-86.
5. Гамиловская А.В., Белоусов А.А., Тихонов Е.В., Дубровская А.А., Вольхин Ю.Н. Обзор и исследование возможных вариантов реализация сверхширокополосных аналоговых процессоров диапазона СВЧ с использованием методов и средств радиофотоники // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2015. № 5 (239). С. 4-11.
6. Стариков Р.С. Фотонные АЦП. // Успехи современной радиоэлектроники. Выпуск 2. М.: Радиотехника. 2015 г.
7. Вольхин Ю. Н., Гамиловская А. В. О возможности реализации сверхширокополосных аналоговых радиофотонных трактов диапазона СВЧ с положительными коэффициентами передачи // XVIII координационный научно-технический семинар по СВЧ технике: материалы. Нижегородская область, п. Хахалы, 2013.
8. Малышев С.А., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ-диапазона и системы радиофотоники на их основе // Электроника и микроэлектроника СВЧ: Всероссийская конференция. Пленарные доклады. 2015. С. 10-18. Режим доступа: http://www.mwelectronics.ru/2015/Papers/O00_01_Malyshev_Volokno-opticheskie_lazery.pdf (дата обращения 01.05 2016).
9. Малышев C.А., Чиж А.Л. Волоконно-оптические линии передачи СВЧ-сигналов для приемо-передающих систем космических аппаратов // Пятый Белорусский космический конгресс: материалы. Минск: ОИПИ НАН Беларуси, 2011. Т. 1. С.192-197.
10. Mikitchuk K., Chizh A., Malyshev S. Analog optical link operating at the gain peak wavelength of an erbium-doped fiber amplifier // Proceedings of 44th European Microwave Conference (EuMC). Rome, Italy. 6-9 October 2014. P. 679-683.
11. Chizh A., Malyshev S.,. Tepteev A, Andrievski V., Guszhinskaya E., Romanova L. Beam-lead partially-depleted-absorber photodiode // Proceedings of International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). Noordwijk, The Netherlands. 2012. P. 1–4.
12. Малышев С.А., Чиж А.Л., Тептеев А.А., Шуленков А.С. Мощный InAlAs/InGaAs/InP СВЧ-фотодиод Шоттки // Третья Всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ»: материалы. Санкт-Петербург, Россия. 2014. С. 76-80.
13. Chizh A., Malyshev S., Jefremov S., Levitas B., Naidionova I. Impulse transmitting photonic antenna for ultra-wideband applications // Proceedings of 18th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON). Vilnius, Lithuania. 14–16 June 2010. P. 346-348.
14. Levitas B., Drozdov M., Naidionova I., Jefremov S., Malyshev S., Chizh A. UWB system for time-domain near-field antenna measurement // Proceedings of the 43rd European Microwave Conference. Nurnberg, Germany. 2013. P. 388-391.
15. Weiwen Zou, Hao Zhang, Xin Long, Siteng Zhang, Yuanjun Cui1, Jianping Chen All-optical bandwidth-tailorable radar // ResearchGate: сайт. 17 с. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/281227313 (дата обращения 01.05.2016).
16. PHODIR: Photonics-Based Fully Digital Radar System: сайт. Режим доступа http://www.phodir.eu/phodir/pubs.php (дата обращения 01.05.2016).
17. Ticonderoga Class AEGIS Cruisers // Naval-technology: сайт. Режим доступа http://www.naval-technology.com/projects/ticonderoga/ (дата обращения 01.05.2016).
18. Riza N. A. Photonic Information Processing System (PIPS) Lab. // Photonic Signal Processing for Antennas. DARPA AOSP Study Group. 2000.
19. Митяшев М.Б. К реализации технологий радиофотоники в АФАР радиолокационных комплексов // Вестник СибГУТИ. 2015. № 2 С. 178-190.
20. Белоусов А.А., Дубровская А.А. Применение методов и средств радиофотоники в системах связи, РЛС и системах РЭБ и РЭП // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. 2013. № 1. С. 181-184.
21. Аглиуллин Т.А., Морозов О.Г. Фазированная антенная решетка с фотонным диаграммообразованием // Международная молодежная научная конференция «XXII туполевские чтения (школа молодых ученых)»: сборник докладов. РФФИ, КНИТУ-КАИ. 2015. С. 486-491.
22. Lee J. J., Loo R. Y., Livingston S., Lewis J. B., Yen Huan-Wun, Tangonan G.L., Wechsberg M. Photonic Wideband Array Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1995. V. 43. Iss. 9. P. 966 - 982. DOI: 10.1109/8.410214
23. Lee J. J. RF Photonics for Beamforming and Array Applications // Presentation on Optics Microwave Interactions. 2002. EN-028-04. P. 4.1–4.31.
24. Goutzoulis A., Davies K., Zomp J., Hrycak P., Johnson A. Developmentand field demonstration of a hardware - compressive fiber - optic true-time-delay steering system for phased-array antennas // Selected Papers on Photonic Control Systems for Phased-Array Antennas. Florida, USA: CREOL & Dept, 1997. P. 593–600.
25. Pan Shilong, Zhu Dan, Zhang Fangzheng Microwave Photonics for Modern Radar Systems // Transactions of Nanjing of Aeronautics and Astronautics. 2014. Vol. 3. P. 219-240
26. PHODIR: Photonics-Based Fully Digital Radar System // CORDIS: Community Research and Development Information Service: сайт. Режим доступа: http://cordis.europa.eu/project/rcn/92836_en.html (дата обращения 01.05.2016).
27. Преимущества использования ВОЛС // В1 электроникс. Системы передачи сигналов: сайт. Режим доступа: http://www.v1electronics.ru/img/articles/vols/06.gif php (дата обращения 01.05.2016).
28. Savchenkov A., Ilchenko V. S., Byrd J., Liang W., Eliyahu D., Matsko A. B., Seidel M.L. Whispering-gallery mode based optoelectronic oscillators. Newport Beach, CA. J. Mod. Opt., 2003. vol.50. P.2523-2542.
29. Compact Opto-Electronic Oscillator (OEO). Low Phase Noise Microwave Signal Source Module // Oewave: сайт. Режим доступа: http://www.oewaves.com/compact-oeo-sp-1149514981 (дата обращения 01.05.2016).
30. Advanced Opto-Electronic Oscillator (OEO). Ultra-Low Phase Noise Microwave Signal Source Module. // Oewaves: сайт. Режим доступа: http://www.oewaves.com/advanced-oeo-sp-1171610647 (дата обращения 01.05.2016).
31. Kossakovski D., Solomatine I., Morozov N., Ilchenko V. Multi-wavelength optical source at 12.5 GHz optical spacing based on a coupled optoelectronic oscillator with a whispering gallery mode resonator // Proceedings of SPIE. Laser Resonators and Beam Control VII. 2004. Vol. 5333. P. 167–173. DOI:10.1117/12.537910
32. Del'Haye P., Herr T., Gavartin E., Gorodetsky M.L., Holzwarth R., Kippenberg T.J. Octave Spanning Tunable Frequency Comb from a Microresonator // Physical Review Letters. 2011. vol. 107.
33. Del`Haye P., Arcizet O., Schliesser A., Holzwarth R., Kippenberg T.J. Full Stabilization of a Microresonator based Optical Frequency Comb // Physical Review Letters. 2008. vol. 101.
34. Agha I.H., Okawachi Y., Gaeta A.L. Theoretical and experimental investigation of broadband cascaded four-wave mixing in high-Q microspheres // Optics Express. 2009. vol. 17. no. 18. P.16209-16215.
35. Savchenkov A., Matsko A.B., Ilchenko V S., Solomatine I., Seidel D., Maleki L. Tunable Optical Frequency Comb with a Crystalline Whispering Gallery Mode Resonator // Physical Review Letters. 2008. vol. 101. no. 9.
36. Herr T., Hartinger K., Riemensberger J., Wang C.Y., Gavartin E., Holzwarth R., Gorodetsky M. L., Kippenberg T.J. Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators // Nature Photonics. 2012. vol. 6. P. 480-487.
37. Kippenberg T. J., Holzwarth R., Diddams S.A. Microresonator-Based Optical Frequency Combs // Science. 2011. vol. 332. no. 6029. pp. 555-559.
38. Ilchenko V.S., Savchenkov A.A., Matsko A.B., Maleki L. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities // Physical Review Letters. 2004. vol. 92.
39. Avrutin E.A., Marsh J.H., Portnoi E.L. Monolithic and multi-gigahertz mode-locked semiconductor lasers: constructions, experiments, models and applications // IEE Proceedings-Optoelectronics. 2000. vol.147. no.4. P.251-278.
40. Hou L., Haji M., Marsh J.H. Monolithic Mode-Locked Laser With an Integrated Optical Amplifier for Low-Noise and High-Power Operation // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2013. vol.19. no.4. DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2238508
41. Каталог // Специальные Системы. Фотоника: сайт. Режим доступа: http://sphotonics.ru/catalog/ (дата обращения 01.05.16).
42. Передающие оптические модули // ДИЛАЗ: сайт. Режим доступа: http://www.dilas.ru/pom/ (дата обращения 01.05.16).
43. MXAN-LN series. 1550 nm band Analog Intensity Modulator / Photline Technologies: сайт. Режим доступа: http://www.qubig.com/datasheets/photline/MXAN-LN-series.pdf (дата обращения 01.05.16).
44. MXDO-LN-20. 1550 nm band Analog Dual Outputs Modulator Preliminary data-sheet / Photline Technologies: сайт. Режим доступа: http://www.symphotony.com/wp-content/uploads/MXDO-LN-20.pdf (дата обращения 01.05.16).
45. Thorelabs inc.: сайт. Режим доступа: http://www.thorlabs.de/navigation (дата обращения 01.05.16).
46. Электрооптические модуляторы // Специальные Системы: фотоника. Режим доступа: http://sphotonics.ru/catalog/eo-modulator/ (дата обращения 01.05.16).
47. Abies J. H. Resonant enhanced modulator development // R-FLICS Program Review Presentation., Sarnoff Co. 2001. Aug., P.1-31.
48. Cox C., Ackerman E. Steps to the Photonic Antenna // Analog Optical Signal Processing (AOSP) Study Group (DARPA/MTO). December 6, 2000. p. 1-30.
49. Nolatech: сайт. Режим доступа: http://nolatech.ru/ (дата обращения 01.05.16).
50. The New IEEE-Std-1241-2010 for Analog-to-Digital Converters Steven J. Tilden, Solomon M. Max. 2011 International Workshop on ADC Modelling // Testing and Data Converter Analysis and Design and IEEE 2011 ADC Forum, 2011. Orvieto, Italy
51. Valley G.C. Photonic analog-to-digital converters // Optics Express. Vol.15. Iss. 5. P.1955-1982. DOI: 10.1364/OE.15.001955
52. Khilo A., Spector S.J., Grein M.E., Nejadmalayeri A.H., Holzwarth C.W, Sander M.Y., Dahlem M.S., Peng M.Y., Geis M.W., DiLello N.A., Yoon J.U., Motamedi A., Orcutt J.S., Wang J.P., Sorace-Agaskar Ch.M., Popovic M.A., Sun J., Zhou G.-R., Byun H., Chen J., Hoyt J.L., Smith H.I., Ram R.J., Perrott M., Lyszczarz T.M., Ippen E.P., Kärtner F.X. Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter // Optics Express. 2012. Vol. 20. Iss. 4. P.4454-4469. DOI: 10.1364/OE.20.004454
53. Greshishchev Y., Aguirre J., Besson M., Gibbins R., Fait C., Flemke P., Ben-Hamida N., Pollex D., Schvan P., Wang S. A 40 GS/s6b ADC in 65 nm CMOS // International Solid State Circuits Conference (ISSCC). 2010 paper 21.7.
54. Chu M., Jacob P., Kim J., LeRoy M., Kraft R., McDonald J. A 40 GS/s time interleaved ADC using SiGe BiCMOS technology // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2010. V. 45. P. 380-390.
55. Valley G., Hurrell J., Sefler G. Photonic analog-to-digital converters: fundamental and practical limits // Proc. SPIE. 2004. V. 5618. P. 96-106.
56. РЛС Воронеж-М/ДМ // Военные новости: сайт. Режим доступа: http://dokwar.ru/publ/vooruzhenie/pvo_i_rvsn/rls_voronezh_m_dm/16-1-0-628 (дата обращения 01.05.16).
57. На опытно-боевое дежурство заступит очередная РЛС "Воронеж-ДМ" // Оружие России: сайт. Режим доступа: http://www.arms-expo.ru/news/armed_forces/na_opytno_boevoe_dezhurstvo_zastupit_ocherednaya_rls_voronezh_dm/ (дата обращения 01.05.16).